Avertissement
Ce contenu a été généré par une intelligence artificielle (LLM) et peut contenir des imprécisions ou des erreurs malgré notre relecture attentive. Il s'agit d'un outil d'apprentissage et non d'une référence académique.
Si vous constatez des erreurs, merci de nous les signaler via la page "À propos".
Séries Numériques (B)
Concept 1: Définition et Propriétés Fondamentales des Séries Numériques
Prérequis
- Suites numériques dans (avec ou )
- Notion de limite d’une suite
- Structure d’espace vectoriel
Définition
Soit une suite d’éléments de .
Une série numérique est le couple de suites où la suite est définie par :
- La suite est appelée la suite du terme général de la série.
- La suite est appelée la suite des sommes partielles de la série.
- La série est dite convergente si la suite des sommes partielles converge dans . Dans ce cas, sa limite est appelée somme de la série, et on note .
- Si la série est convergente de somme , le reste d’ordre n, noté , est défini par . Par définition, .
- Une série qui ne converge pas est dite divergente.
Propriétés Clés
-
Caractère de la série : La nature (convergence ou divergence) d’une série est inchangée par la modification d’un nombre fini de ses termes. Cependant, la valeur de la somme, si elle existe, dépend de tous les termes.
-
Structure d’espace vectoriel : L’ensemble des séries convergentes à valeurs dans est un -espace vectoriel.
Hypothèses : Soient et deux séries convergentes de sommes respectives et , et .
Conclusion :
- La série somme converge et sa somme est .
- La série produit par un scalaire converge et sa somme est .
Preuve : Soient et . Par hypothèse, et .
- La somme partielle de est . Par linéarité de la limite de suites, .
- La somme partielle de est . Par propriété de la limite de suites, .
Exemples
Exemple 1 : Série géométrique
Soit avec . La série de terme général est appelée série géométrique.
- Si , , la série diverge.
- Si , . La suite converge si et seulement si .
- Conclusion : La série géométrique converge si et seulement si , et sa somme est alors .
Exemple 2 : Série télescopique
Soit une suite dans . La série de terme général est une série télescopique.
Sa somme partielle est .
La série converge si et seulement si la suite converge. Si , alors la somme de la série est .
Par exemple, pour (pour ), on a . La série converge et sa somme est 1.
Exemple 3 : Série de Riemann
La série de terme général pour est une série de Riemann. Il est connu qu’elle converge si et seulement si . La démonstration de ce résultat nécessite des outils plus avancés (comparaison série-intégrale).
Contre-exemples
Contre-exemple 1 : Série divergente
La série de terme général avec . La suite des sommes partielles est , qui diverge. Donc la série diverge.
Contre-exemple 2 : Modification d’une infinité de termes
Considérons la série convergente où pour tout . Sa somme est 0. Modifions une infinité de termes en posant si est impair et si est pair. La nouvelle série a pour somme partielle , qui diverge vers . La nature de la série a été modifiée.
Concepts Liés
- Suites numériques : L’étude de la convergence des séries se ramène entièrement à l’étude de la convergence de la suite de leurs sommes partielles.
- Applications linéaires : L’opérateur “somme” , où est l’espace vectoriel des séries convergentes, qui associe à une série sa somme, est une application linéaire.
Concept 2: Critère de Cauchy et Condition Nécessaire de Convergence
Prérequis
- Suites de Cauchy
- Complétude de et
Définition
Théorème (Critère de Cauchy pour les séries) : Soit une série numérique à valeurs dans (complet). La série converge si et seulement si :
Preuve :
Soit la suite des sommes partielles. Par définition, la série converge si et seulement si la suite converge. Comme est complet, la suite converge si et seulement si c’est une suite de Cauchy.
La condition de Cauchy pour s’écrit :
En posant et (avec ), on a . La condition du théorème est donc équivalente à la condition de Cauchy pour la suite .
Propriétés Clés
Proposition (Condition nécessaire de convergence) : Si la série converge, alors son terme général tend vers 0.
La réciproque est fausse.
Preuve :
Si converge, elle satisfait le critère de Cauchy. Soit . Il existe tel que pour , .
En particulier, en choisissant et pour , on obtient .
Ceci démontre que .
Exemples
Exemple 1 : Divergence de la série harmonique
Soit la série harmonique . Son terme général tend vers 0. Montrons qu’elle ne satisfait pas le critère de Cauchy.
Prenons . Pour tout , choisissons et . Alors :
Chaque terme de la somme est supérieur ou égal au dernier, . Il y a termes.
La condition de Cauchy n’est pas vérifiée pour . La série diverge.
Exemple 2 : Divergence grossière
Considérons la série . Le terme général tend vers 1, et non vers 0. La condition nécessaire de convergence n’est pas satisfaite, donc la série diverge. On parle de divergence grossière.
Exemple 3 : Convergence de
Montrons que satisfait le critère de Cauchy. Pour :
Pour assez grand, cette quantité peut être rendue arbitrairement petite. Soit . Choisissons tel que . Alors pour , on a , donc . La série converge.
Contre-exemples
Contre-exemple 1 : Réciproque de la condition nécessaire
La série harmonique (cf. Exemple 1) est le contre-exemple standard. Son terme général tend vers 0, mais la série diverge.
Contre-exemple 2 : Une autre série divergente avec
La série diverge (ce qui peut être montré par comparaison avec une intégrale), bien que son terme général tende vers 0.
Concepts Liés
- Complétude d’un espace normé : Le critère de Cauchy est une propriété fondamentale des espaces de Banach. Le fait qu’il s’applique aux séries dans ou est une conséquence directe de la complétude de ces corps.
- Convergence de suites : Le critère reformule la convergence d’une série en une propriété intrinsèque de la suite de ses termes généraux, sans faire référence à la limite.
Concept 3: Convergence Absolue et Semi-Convergence
Prérequis
- Critère de Cauchy pour les séries
- Valeur absolue et inégalité triangulaire
Définition
- Une série est dite absolument convergente si la série des valeurs absolues (ou des modules dans ) est convergente.
- Une série est dite semi-convergente si elle est convergente mais non absolument convergente.
Propriétés Clés
Proposition 1 : La convergence absolue implique la convergence.
Hypothèse : La série est absolument convergente.
Conclusion : La série est convergente.
Preuve : On utilise le critère de Cauchy. L’hypothèse que converge implique qu’elle vérifie le critère de Cauchy :
Par l’inégalité triangulaire généralisée, on a :
La série vérifie donc aussi le critère de Cauchy, et par complétude de , elle converge.
Proposition 2 : Caractérisation pour les séries à termes positifs.
Pour une série à termes positifs (), la convergence et la convergence absolue sont équivalentes. La série converge si et seulement si la suite de ses sommes partielles est majorée.
Proposition 3 : Structure d’espace de Banach.
L’ensemble des suites telles que la série converge absolument est un -espace vectoriel normé par . C’est un espace de Banach.
Exemples
Exemple 1 : Convergence absolue
La série est absolument convergente car la série est une série de Riemann avec , qui est convergente.
Exemple 2 : Semi-convergence
La série harmonique alternée est convergente (d’après le critère des séries alternées, sa somme est ). Cependant, elle n’est pas absolument convergente car la série des valeurs absolues est la série harmonique , qui diverge. C’est donc une série semi-convergente.
Exemple 3 : Une série dans
La série pour est absolument convergente. En effet, . La série converge.
Contre-exemples
Contre-exemple 1 : La réciproque est fausse
La série harmonique alternée (Exemple 2) montre qu’une série peut être convergente sans être absolument convergente.
Contre-exemple 2 : Une série divergente
La série est semi-convergente. La série est divergente. Si on prend la série , elle diverge et n’est bien sûr pas absolument convergente non plus (les notions coïncident pour les séries à termes positifs).
Concepts Liés
- Théorème de réarrangement de Riemann : Un résultat avancé stipule que si une série est semi-convergente, on peut réarranger l’ordre de ses termes pour la faire converger vers n’importe quelle valeur de , ou même la faire diverger. En revanche, si une série est absolument convergente, tout réarrangement de ses termes converge vers la même somme. La convergence absolue est donc une forme de convergence “inconditionnelle”.
- Séries à termes positifs : L’étude de la convergence absolue d’une série quelconque se ramène à l’étude de la convergence d’une série à termes positifs , pour laquelle des outils puissants (comme les critères de comparaison) sont disponibles.
Concept 4: Produit de Cauchy de Séries
Prérequis
- Convergence absolue
- Manipulation de sommes doubles
- Limites de suites
Définition
Soient deux séries et . Le produit de Cauchy de ces deux séries est la série dont le terme général est défini par :
Cette définition est inspirée du produit de deux polynômes ou de deux séries entières.
Propriétés Clés
Théorème (de Mertens, version forte)
Hypothèses : Soient et deux séries absolument convergentes, de sommes respectives et .
Conclusion : Leur produit de Cauchy est absolument convergent et sa somme est .
Esquisse de la preuve :
-
Convergence absolue de : On note et .
.
La somme partielle des valeurs absolues de est .
Cette somme correspond aux termes où . Elle est donc majorée par . La suite des sommes partielles de est croissante et majorée, donc elle converge.
-
Valeur de la somme: Soient les sommes partielles de .
On montre que .
.
.
La différence est la somme des termes sur l’ensemble d’indices .
En utilisant la convergence absolue des séries de départ, on montre que la somme des modules des termes sur tend vers 0.
Pointeur vers d’autres résultats :
- Théorème de Mertens (version faible): Si converge absolument et converge (pas forcément absolument), alors leur produit de Cauchy converge et sa somme est le produit des sommes.
- Théorème d’Abel: Si , et leur produit de Cauchy convergent tous les trois vers respectivement, alors .
Exemples
Exemple 1 : Exponentielle complexe
Soient . Les séries et sont absolument convergentes.
Le terme général de leur produit de Cauchy est :
Le produit de Cauchy est donc la série . Le théorème confirme que .
Exemple 2 : Produit de séries géométriques
Soit avec et .
La série converge et sa somme est , qui est bien le produit des sommes et .
Exemple 3 : Produit avec une série nulle
Si et pour , et pour tout . converge absolument vers 0. diverge. . Le produit de Cauchy est la série nulle, qui converge vers 0.
Contre-exemples
Contre-exemple 1 : Produit de deux séries semi-convergentes
Soit pour . Les séries et sont semi-convergentes (par le critère des séries alternées).
Le terme général du produit de Cauchy est :
L’inégalité arithmético-géométrique donne .
Donc .
Comme , le terme général ne tend pas vers 0. La série produit diverge grossièrement.
Concepts Liés
- Séries entières : Le produit de Cauchy est l’outil principal pour multiplier des séries entières, ce qui correspond à la multiplication des fonctions analytiques qu’elles représentent.
- Convolution de suites : Le terme général est le produit de convolution discret des suites et .
Concept 5: Séries à Termes Positifs et Critère de Comparaison
Prérequis
- Suites monotones
- Théorème de la limite monotone
Définition
Une série est dite à termes positifs si pour tout (ou au moins à partir d’un certain rang).
Propriétés Clés
Proposition 1 : Critère fondamental de convergence
Hypothèse : est une série à termes positifs.
Conclusion : La série converge si et seulement si la suite de ses sommes partielles est majorée. Si elle n’est pas majorée, elle diverge vers .
Preuve : La suite des sommes partielles est croissante car . D’après le théorème de la limite monotone, une suite croissante converge dans si et seulement si elle est majorée. Sinon, elle tend vers .
Théorème 2 : Théorème de comparaison par inégalité
Hypothèses : Soient et deux séries à termes positifs telles qu’il existe pour lequel pour tout .
Conclusion :
- Si converge, alors converge.
- Si diverge, alors diverge.
Preuve : Soient et . L’hypothèse implique .
- Si converge, alors la suite des sommes partielles de est majorée, donc est majorée. Par conséquent, est aussi majorée. Étant croissante, converge. Comme la nature d’une série ne dépend pas de ses premiers termes, converge.
- La deuxième assertion est la contraposée de la première.
Pointeur vers d’autres résultats :
- Comparaison par équivalents : Si , et quand , alors les séries et sont de même nature.
- Comparaison par négligeabilité : Si et converge, alors converge. Si et diverge, alors diverge.
Exemples
Exemple 1 : Convergence de
Pour , on a , d’où .
On a vu que la série télescopique converge. Par le théorème de comparaison, la série converge.
Exemple 2 : Divergence de
Pour , on a , d’où .
La série harmonique diverge. Par le théorème de comparaison, la série diverge.
Exemple 3 : Convergence de
Pour , on a , donc , et .
La série est une série géométrique de raison , donc elle converge. Par comparaison, converge.
Contre-exemples
Contre-exemple 1 : Importance de la positivité
Soit et . On n’a pas . L’inégalité est vraie pour impair. La série converge, mais on ne peut rien conclure pour avec ce théorème. (En fait, converge).
Contre-exemple 2 : Mauvais sens de l’inégalité
Soit et . Pour , . La série converge, mais cela ne donne aucune information sur la nature de (qui diverge).
Concepts Liés
- Séries de Riemann : Les séries forment une échelle de référence essentielle pour les tests de comparaison.
- Comparaison série-intégrale : Une méthode puissante pour déterminer la nature de séries à termes positifs dont le terme général est monotone est de la comparer à l’intégrale de la fonction associée.
Concept 6: Critères de Convergence de Cauchy et d’Alembert
Prérequis
- Limite supérieure et limite inférieure (limsup, liminf) d’une suite
- Séries géométriques
- Théorème de comparaison
Définition
Soit une série à termes strictement positifs ().
Proposition 1 : Règle de Cauchy (Root Test)
Soit .
- Si , la série converge.
- Si , la série diverge.
- Si , on ne peut pas conclure.
Preuve :
- Si , on choisit tel que . Par définition de la limite supérieure, il existe tel que , soit . Comme , la série géométrique converge. Par comparaison, converge.
- Si , par définition de la limite supérieure, il existe une sous-suite qui converge vers . Donc, pour assez grand, , soit . Le terme général ne tend pas vers 0. La série diverge grossièrement.
Proposition 2 : Règle de d’Alembert (Ratio Test)
Soit une série à termes strictement positifs.
- Si , la série converge.
- Si , la série diverge.
- Si , on ne peut pas conclure.
Preuve :
- Si , on choisit tel que . Il existe tel que . Par récurrence, . La convergence de découle de la convergence de la série géométrique par comparaison.
- Si , il existe tel que . La suite est donc croissante. Comme , la suite ne peut tendre vers 0. La série diverge grossièrement.
Propriétés Clés
-
Comparaison des critères : Le critère de Cauchy est plus puissant que celui de d’Alembert. On a toujours l’inégalité :
Ainsi, si d’Alembert permet de conclure, Cauchy aussi. L’inverse n’est pas vrai.
-
Cas limite : Lorsque la limite (si elle existe) du rapport ou de la racine n-ième est 1, ces tests ne sont pas concluants. Il faut utiliser des règles plus fines (comparaison avec une série de Riemann, règle de Raabe-Duhamel, critère de Bertrand).
-
Estimation du reste : Si un des critères de convergence est vérifié avec une constante (i.e. pour ), on peut majorer le reste par la somme d’une série géométrique:
Cela permet d’obtenir des estimations de la vitesse de convergence.
Exemples
Exemple 1 (d’Alembert)
Soit .
La série converge par le critère de d’Alembert.
Exemple 2 (Cauchy)
Soit .
La série converge par le critère de Cauchy.
Exemple 3 (Cas )
Pour les séries de Riemann , on a :
- d’Alembert: .
- Cauchy: .
Les deux critères sont inefficaces, alors que la série converge pour et diverge pour .
Contre-exemples
Contre-exemple 1 : Cauchy plus fort que d’Alembert
Considérons la série de terme général défini par et .
-
Critère de Cauchy : . .
Donc . La série converge.
-
Critère de d’Alembert :
.
.
On a et . Le critère de d’Alembert ne permet pas de conclure.
Concepts Liés
- Rayon de convergence : Les critères de Cauchy et d’Alembert sont fondamentaux pour déterminer le rayon de convergence des séries entières. La formule de Cauchy-Hadamard pour le rayon de convergence d’une série entière est .
- Vitesse de convergence : Une série qui converge par l’un de ces critères est dite à convergence géométrique, car son terme général est majoré par le terme d’une série géométrique. C’est une convergence très rapide.